DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

原子とその構成物質について

今回は陽子と中性子と電子の比較について書いて行きたいと思う。

 

1. 粒子と素粒子

かつて原子はこれ以上分割できないものとして考えられており、原子こそが全てのものを構成する中で最も小さいものとして考えられていた。

例えば水素の場合は水素原子が、ヘリウムの場合はヘリウム原子が最も小さいものとして扱われ、決して水素原子がヘリウム原子になるとは考えられてはいなかった。

しかし、太陽の中心核で起こっている核融合反応は4つの水素原子が1つのヘリウム原子になる反応であり、原子が最小の単位であったとすると説明はつかない。

そのため、原子は最小単位ではなく、更に陽子と中性子と電子によって構成されていることが判明し、核融合反応も原子核(陽子と中性子)の反応によって起こっていることが判明した。

勿論核融合反応だけではなく核分裂反応も原子核での反応であり、ウラン235がヨウ素131とイットリウム103と中性子に分裂する反応は核分裂の一種で重い原子が軽い原子と中性子に分裂をしている。

 

このように原子は物質の最小単位ではなく更に原子核と電子に分割することが可能であり、その上原子核は陽子と中性子に分割することが出来る。

では、物質の最小単位は陽子, 中性子, および電子であるかというと3分の1は当たっているが3分の2は間違っている。

当たっている所は電子が最小単位であるということであり、電子はレプトンと言われる素粒子の一種であり、これ以上は分割することはできない。

そして、レプトンは6種類あり、電子はその中の1つにしかすぎないがこれ以上深入りすると話がややこしくなるのでここでは電子についてだけ書いて行きたいと思う。

電子は負電荷を帯びており、その大きさはマイナス1.602×10^-19 Cとかなり小さく、この単位は電子素量と呼ばれ、eで表される(電子はマイナスなので-eとなる)

 

そして、電子が最小単位であるということは陽子と中性子は違うかというとその通りであり、陽子と中性子はクォークと呼ばれる素粒子に分割することが可能となる。

クォークはレプトンと並ぶ素粒子であり、6種類あるもののレプトンと同じようにこれ以上深入りすると説明が難しくなるのでここではアップクォークとダウンクォークについて書いて行きたいと思う。

アップクォークの電荷が+2/3 eであり、ダウンクォークの電荷は-1/3 eである。

そして、陽子の電荷は+e, 中性子は0であるので陽子は2つのアップクォークと1つのダウンクォーク、中性子は1つのアップクォークと2つのダウンクォークにより構成されている。

 

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このように陽子の電荷は2×(2/3)e+(-1/3)e=+eとなっており、中性子の電荷は(2/3)e+2×(-1/3)e=0なので中性子は電荷を持たない。

そして、陽子と中性子はほぼ同じ質量であり、中性子のほうが若干質量が大きいが電子の質量は陽子や中性子と比較すると非常に小さく、1,840分の1程度しかない。

このことよりアップクォークとダウンクォークの質量は電子の613倍程度ほどであると考えられるが実際の質量は大きく異なり、アップクォークの質量は電子の10倍程度、ダウンクォークの質量は電子の20倍ほどしか無い。

このままでは質量の大きな矛盾が生じるがその理由はアップクォークとダウンクォークは強い結合力があり、この結合力の影響で大きな質量が生じている。

つまり、陽子と中性子の大きな質量はほとんどが結合力によるものであり、この世の物質の質量の大半は陽子と中性子によるものなので結合力がこの世の質量のほぼすべでであると言っても過言ではない。

 

 

 

2. 原子の大きさ

ここまでは原子の中の陽子, 中性子, 電子, 更に細かいクォークについて書いてきたがここからは原子と原子核の大きさについて書いて行きたいと思う。

原子核は先ほども書いたように陽子と中性子によって成り立っており、当然ではあるが原子核には大きさがある。

そして、最も簡単な原子核は軽水素の原子核であり、軽水素の原子核の大きさは1.75×10^-15 mと非常に小さく、この大きさは陽子の大きさと言ったほうが正しい。

その理由は軽水素原子核は陽子1個のみから成り立っているからである。

また、水素原子の大きさは1.06×10^-10 mほどと小さいものの原子核と比較すると比較にならないほどの大きさがあり、これは原子核の60,571倍もの大きさである。

この大きさの比はすさまじく、もし原子核の大きさが1円玉程度(直径2 cm)ほどであったとすると水素原子の大きさは1.21 kmほどとなり、この大きさは東京タワーの三倍の高さよりも長い。

そのため、原子核の大きさは原子の大きさと比較しても非常に小さいものの質量は原子核にほとんど集中しており、その理由は原子核の外側には軽量の電子しかないからである。

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軽水素原子核は1,000倍に拡大しても原子核の大きさと比較すると非常に小さいが質量は原子核のほぼすべてを占めている。

そのため、原子核単体で見てみると密度はとてつもなく高いこととなり、陽子の質量は1.673×10^-24 g、半径は8.751×10^-14 cmであり、仮に陽子が完全な球体であると仮定すると密度は5.96×10^14 g/㎤ととてつもなく、この密度は1 ㎤の大きさで世界の米の生産量に匹敵するほどである。

そして、中性子の密度も同じようにとてつもなく大きいので原子は超高密度の原子核とスカスカの空間からなっており、外層部には電子が周回している構造となっている。

また、超新星後に残る中性子星は中性子が非常に密に詰まっている状態となっており、通常は原子はスカスカの状態ではあるがこのような状態だと中性子の隣に中性子があるような状態であるので密度がとてつもなく大きくなっている。

 

そして、ここでは軽水素原子核について書いてきたが水素よりも原子番号の大きな原子は原子核に多くの陽子と中性子が含まれることになるので当然大きさが大きくなるが電子が周回する軌道、即ち原子の大きさはあまり大きくならないので原子核と原子の大きさの比は軽水素ほどでは無くなるがやはり非常にスカスカの状態であることには変わりはなく、東京ドームと1円玉の比に例えられるほどである。

 

このように物質同士はぶつかるものの原子は非常にスカスカの状態であり、更に原子核の質量もほぼ全てが相互作用によるものなので宇宙に存在する物質はほぼ実態を持たないと言っても過言ではない。

 

 

 

以上、原子と原子を構成する物質についてでした。